有限元S_N中子输运模拟的区域分解并行

确定论中子输运方法具有计算速度快、可获取物理量的精细场分布、可高效多物理耦合等优点,随着有限元方法在中子输运模拟中的应用,复杂几何结构、大尺度下的屏蔽问题和临界问题都能得到高保真建模和分析。离散纵标(S_N)法是求解中子输运方程的有效数值方法,基于OpenMP并行机制对各独立离散方向进行并行求解,可提高S_N输运模拟的计算速度,但并行规模较有限。对几何空间进行区域分解并采用MPI并行机制,可实现大规模并行扩展,进而实现对大型问题的高精度快速求解。本文采用并行自适应非结构网格应用框架JAUMIN进行区域分解和进程间通信,通过并行S_N扫描实现了自主有限元输运程序ENTER的高效并行,完成正确性检验后在天河Ⅱ号超级计算机上使用1 440个CPU核完成了1.43×10~7网格单元、2.81×10~9自由度规模问题的测试,计算时间约7.4 h。表明该程序具备了有效模拟大型复杂结构中子输运问题的能力,具有一定工程应用价值。     

基于非结构网格的三维中子输运方程求解方法

本文使用离散纵标-间断有限元方法求解了三维中子输运方程,它对能量变量采用多群近似离散,对方向变量采用离散纵标法离散,对空间变量采用间断有限元离散;并研究了每个S_N离散方向的有限元网格的排序以及中子输运DFEM方程中几个矩阵的矩阵元的精确求解方法,并据此开发了基于非结构网格的三维输运计算程序TetTran1.0。基准例题校核结果表明,该程序具有很高的计算精度。     

三维并行程序JSNT对HBR-2装置的屏蔽计算与分析

屏蔽计算是反应堆设计的重要环节之一，其计算结果直接影响核系统的寿命以及周边环境的辐射安全。JSNT是由中物院高性能数值模拟软件中心自主研发的三维离散纵标（S_N）中子/光子输运程序，采用区域分解实现大规模并行，具有较高的计算精度和计算效率。本文利用JSNT对HBR-2装置进行屏蔽计算，分析了辐照监督管处和中子剂量测量仪处的中子通量密度分布以及6个核素的放射性比活度，并与实验测量值进行了比较，发现网格划分对计算结果有较大影响，随着网格的加密，计算结果趋于实验值；除在中子剂量测量仪处的²³⁷Np(n,f)¹³⁷Cs和²³⁸U (n,f)¹³⁷Cs外，计算结果与测量值的相对偏差均小于20%，满足工程要求。     

COSINE软件包组件参数计算程序LATC中SN输运模块的开发与初步验证

本文论述了组件参数计算程序LATC的离散纵标（S_N）输运模块的理论模型。通过对基准问题的校验,验证了自主开发的组件参数计算程序LATC中基于一维、二维S_N理论及扩散综合加速收敛方法的输运模块。结果表明,LATC组件参数计算程序的S_N输运模块与基准解吻合良好,初步验证了LATC组件参数计算程序的S_N输运模块的正确性。     

基于质量矩阵集总技术的非结构网格二维有限元屏蔽计算程序研发

精细化几何建模是高保真中子输运计算的重要基础，而非结构网格对复杂几何模型具有较强的适应性，能弥补结构网格建模能力的不足。为了提高屏蔽计算程序对复杂模型的建模能力，从一阶中子输运方程出发，建立了二维离散纵标-伽辽金有限元求解模型，对比分析了连续有限元和间断有限元方法的计算性能，进一步采用质量矩阵集总技术以提高求解模型的可靠性，并开发了相应的计算程序ThorSNIPE。选用BWR cell临界基准题、阿贡实验室5-A1固定源基准题和Dog leg duct基准题，验证ThorSNIPE程序的正确性。数值计算结果表明：ThorSNIPE程序的计算结果与基准值吻合较好，初步验证了程序的正确性，ThorSNIPE程序适用于复杂屏蔽计算分析；质量矩阵集总技术在不影响计算精度的情况下，能够有效抑制非物理振荡问题。     

二维非结构网格中子输运方程并行Sn计算

文章针对三角形非结构网格，在几何区域分解并行的基础上，利用S_n方法求解中子输运方程的源迭代过程中各方向的计算是独立的这一特点，考虑各方向扫描的并行性，设计了各方向同时扫描的并行流水线算法，并对一单群S₈输运计算问题进行了验证。结果表明：当处理器个数为32时，加速比达23.57，并行效率为0.736。     

基于CAD模型的TORT程序自动建模方法研究

针对反应堆屏蔽结构几何复杂，传统手动建模几何处理能力有限、效率低、易于出错的问题，基于多功能辐射输运模拟仿真平台(MOSRT)，采用离散网格材料体积权重均匀化方法对多材料的离散网格进行均匀化处理，实现了CAD模型到三维离散纵标法(S_N)计算程序TORT屏蔽计算模型的精细转换。基于Kobayashi和NUREG-CR-6115基准题模型对自动建模方法进行了验证。结果表明，对于Kobayashi基准题，自动建模方法与手动建模结果完全吻合；对于NUREG-CR-6115基准题，自动建模方法与参考解的最大误差为12.2%。该验证结果表明了自动建模方法的有效性与正确性。     

用于复杂环境下中子时空动力学计算的简化球谐函数方法

将简化球谐函数(SPN)方法用于离散输运时空动力学方程的角度变量,应用有限元方法离散其空间变量,用全隐式向后差分离散时间变量,用时间积分法求解缓发中子先驱核浓度方程,建立了复杂环境下输运时空动力学计算的理论模型.根据该模型编制了非结构网格多维输运时空动力学计算程序,数值计算结果表明,该方法可以应用于复杂环境下中子输运时空动力学计算.     

强散射介质中子输运计算的角度相关附加再平衡加速算法

利用最小二乘有限元离散坐标方法，对一阶中子输运方程进行离散求解，给出了基于非结构网格的角度相关附加再平衡加速算法，采用附加修正量的办法达到再平衡的原理加速计算过程，同时也给出了其外推算法。将算法应用到强散射介质中子输运方程的计算中，一些基准问题的数值结果表明，计算速度可加速到原来的1.5～2倍。     

曲网格下的厚扩散极限中子输运模拟研究

离散纵标法作为求解厚扩散极限中子输运问题的重要方法之一，其常用的空间离散格式，如有限差分格式极易在光学厚介质中产生数值扩散，并且粗网格精度不足和难以适配复杂几何等问题使得离散纵标法的应用具有一定的局限性。本研究采用伽辽金方法推导弱形式或变分形式的离散纵标方程，基于间断有限元思想构造高阶曲网格下的拉格朗日有限元基函数，建立中子输运方程的高阶间断有限元离散格式。选取了构造解算例、国际原子能机构（IAEA） EIR-2基准题和厚扩散极限算例进行建模与输运计算，对该空间离散格式的计算精度、收敛性进行了测试验证并分析了其厚扩散极限特性。数值结果表明，多介质问题中高阶间断有限元格式的计算结果与基准值相对误差小于1%，且在曲网格下也具有较高的计算精度和符合预期的收敛速度。该离散格式可有效解决曲网格下的厚扩散极限中子输运问题，具有较好的数值特性，且在光学厚扩散极限下具备扩散极限渐近保持性质。     

异构系统三维高保真堆芯中子输运计算程序ALPHA研发进展

ALPHA是哈尔滨工程大学核动力仿真研究中心研发的基于异构系统的三维高保真堆芯中子输运计算程序。ALPHA程序基于性能优化的二维特征线装载图形处理单元（GPU）并行计算核心,基于MPI+CUDA混合编程模型实现粗细粒度的异构系统多节点并行并应用通信掩盖优化。ALPHA的共振计算模型采用原创的细群 子群二级离散策略并采用多群求解核心适配异构系统。ALPHA采用MOC EX实现三维全堆芯中子输运异构并行计算及GPU并行的粗网有限差分加速。数值结果表明,ALPHA程序在保证计算精度的前提下,具备较高的并行效率和一定的可扩展性,有望实现数值反应堆中中子学计算的轻量化与工程化应用。     

14 MeV快中子照相准直屏蔽系统的设计与优化

基于强流氘氚中子源科学装置HINEG设计了一套快中子照相准直屏蔽系统。采用中子输运设计与安全评价软件系统SuperMC和ENDF/B-Ⅶ.0数据库计算了准直中子束的中子能谱及注量率、γ射线能谱及注量率、直射中子注量率与γ射线注量率比值（φ_d/φ_γ）、直射与散射中子注量率比值（φ_d/φ_s）、准直束中子注量率的不均匀度等特性参数，并采用MCNP5程序进行了对比验证。研究了准直屏蔽系统的内衬材料、尺寸等对特性参数的影响规律，并通过优化获取了最优设计方案。计算结果显示，在同等计算条件下，SuperMC计算结果与MCNP计算结果相对偏差小于1%，准直屏蔽系统的φ_d/φ_γ为50.1，φ_d/φ_s为5.7，在Φ30 cm视野范围内的中子注量率为4.80×10⁷ cm^-2•s^-1，其中直射中子注量率为4.09×10⁷ cm^-2•s^-1，中子注量率不均匀度为5.8%，满足快中子照相对准直束特性参数的要求。     

Application of High Performance Computing Analysis Technology in Shielding Design of Large Sodium-cooled Fast Reactor

The sodium-cooled fast reactor container is an integrated pool structure composed of numerous internal components and complex structure. The anisotropy is obvious and the deep penetration problem is serious in the process of neutron transport from core to biological shielding. The calculation of three-dimensional S_N method in large scale is the bottleneck restricting in the design of fast reactor shielding. By combining with high performance computing technology, the parallel computing scheme is used to solve the anisotropic three-dimensional deep penetration shielding calculation in the fast reactor. In this paper, the China Demonstration Fast Reactor (CFR600) reactor block was taken as the research object. Using JSNT-CFR code, the neutron flux rate, photon flux rate, and dose rate in the reactor block were calculated in detail. The calculation results were compared with those of the existing two-dimensional code. The results show that combining the traditional shielding calculation method with high performance computing can meet the requirements of CFR600 reactor block shielding calculation accuracy, and obtain a more comprehensive three-dimensional display effect. It can solve the problem of shielding calculation of complex problems such as complex model and particle penetration depth. It has obvious advantages and provides strong support for the large sodium-cooled fast reactor shielding design.     

高性能计算分析技术在大型钠冷快堆屏蔽设计中的应用

钠冷快堆堆容器是一体化的池式结构，由众多堆内构件组成且结构复杂，堆芯到生物屏蔽外中子输运过程中各向异性明显且深穿透问题严重，大尺度范围下三维S_N方法计算是制约快堆屏蔽设计的瓶颈。通过将三维SN程序与高性能计算技术相结合，采用并行计算方法可解决快堆堆本体内各向异性的三维深穿透屏蔽问题。本文以中国示范快堆（CFR600）堆本体为研究对象，采用JSNT-CFR程序详细计算了堆本体内的中子注量率、光子注量率、剂量率，并将计算结果与已有的二维程序设计结果进行比较。结果表明，将传统屏蔽计算方法与高性能计算相结合，能满足CFR600堆本体屏蔽计算精度要求，获得更为全面的三维展示效果，在计算模型复杂、粒子穿透深度等复杂问题的屏蔽计算上具有较明显的优势，为大型钠冷快堆屏蔽设计提供有力支撑。     

Preparation of High Specific Activity Strontium-89 Solution in High Flux Engineering Test Reactor

⁸⁹SrCl₂ is an important radioactive drug for the bone metastasis. It is included in the new pharmacopoeia in 2015 and has a promising future in the market. Depending on the high flux engineering test reactor(HFETR), the process of preparation of high specific activity⁸⁹SrCl₂ solution by nuclear reaction ⁸⁸Sr(n, γ)⁸⁹Sr was studied. High purity enriched⁸⁸SrCO₃ was used as target material and irradiated for 56 days under the condition of thermal neutron fluence rate about 2×10¹⁴ n•cm^-2•s^-1. After dissolution and filtration, the colorless⁸⁹SrCl2 solution was obtained. The specific activity of⁸⁹SrCl₂ solution was 7.77×10⁹-1.08×10¹⁰ Bq•g^-1, the activity concentration was 3.59×10⁸-1.21×10⁹ Bq•mL^-1, the gamma impurity content was 0.11%-0.14%, the Al impurity content was much lower than 2 μg•mL^-1(activity concentration 7.4×10⁷ Bq• mL^-1).⁸⁹SrCl₂ solution had been tested to meet the requirements of the industry and could be used as raw material for the production of injection. The development of single 7.4×10¹⁰ Bq level preparation device of high purity and high specific activity of ⁸⁹Sr had been finished. This research is important for localization of isotope products.     

堆内超临界水回路辐照装置物理参数模拟研究

堆内超临界水回路对我国超临界水堆燃料和结构材料的辐照腐蚀实验具有重要意义,辐照装置位于反应堆堆芯栅格,是超临界水回路的核心部件。采用MCNP程序模拟研究辐照装置的关键物理参数,并考虑超临界水热物特性对物理参数的反馈效应。计算得到辐照装置热中子注量率为4.72×10¹³ cm^-2•s^-1,快中子注量率为1.55×10¹⁴ cm^-2•s^-1,辐照产热率为14.7 kW,反应性引入为0.045%。     

CPU-GPU协同计算在MOC中子输运异构并行计算中的应用研究

特征线方法（MOC）可以精确求解任意几何的中子输运方程，但该方法收敛慢、计算时间长。本研究基于空间区域分解和特征线并行技术，采用MPI+OpenMP/CUDA编程模型，实现了适用于中央处理器-图形处理器（CPU-GPU）异构系统的二维MOC异构并行算法。为充分利用异构系统中的CPU和GPU计算资源，实现CPU-GPU协同计算，提出动态任务分配模型，根据CPU和GPU的计算能力合理分配计算任务。数值验证结果表明:程序具有良好的计算精度；动态任务分配模型能根据硬件性能给出最佳任务分配方案；5异构节点（包含20块GPU）并行时，相对MPI+CUDA并行模式，采用CPU-GPU协同计算后，程序整体效率提升达到14%。      

LiH和LiT与H2O反应机理研究

氢材料在微量H₂O、CO₂、O₂和N₂存在下可能发生物理化学反应,使材料的物理品位下降。由于反应过程十分复杂,很难从实验上准确获取这类反应的最佳通道和具体产物信息,因此,从理论上研究氢材料分子的物理化学性质及其化学反应机制,了解化学反应过程具有十分重要的意义。本文使用Gaussian03软件包和Gaussview工具软件,在6-311G(d)全电子基函数水平上,应用二阶微扰理论优化得到了⁶LiH、⁶LiT与H₂O反应的中间体、过渡态及产物的结构,总能量,振动频率和零点能等。通过计算发现⁶LiH、⁶LiT均只有1个反应通道,⁶LiH与H₂O反应的焓变、活化能和反应速率常数分别为-156.99 kJ/mol、8.95 kJ/mol和3.75×10¹⁰(mol•dm^-3)^-1/s,⁶LiT与H₂O反应的焓变、活化能和反应速率常数分别为-159.02 kJ/mol、9.92 kJ/mol和1.72×10¹⁰ (mol•dm^-3)^-1/s。     

直接三维中子输运特征线法并行计算软件的实现

作为中子输运问题的一种重要确定论方法,特征线法（MOC）具有强几何适应性、计算流程简洁、易于大规模并行的优点。ANT-MOC是自主开发的中国数值反应堆1.0（CVR1.0）中的三维特征线法中子输运计算程序,主要用于压水堆、快堆的堆芯输运计算。ANT-MOC支持基于构造实体几何（CSG）的复杂几何建模、高效的用户输入方式、面向矩形/六边形网格的射线追踪算法,以及基于轨迹链分解的并行算法和负载平衡策略。在国产超算上,ANT-MOC可以扩展到约10万处理器核,并行效率在50%以上。针对压水堆、快堆计算问题进行验证和参数敏感性分析,结果表明ANT-MOC计算结果具有较好的稳定性和准确度。